Chương 3:KEO ĐẤT, KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ DUNG DỊCH ĐẤT
3.4.2. Đặc tính dung dịch đất
Dung dịch đất có 3 đặc tính quan trọng, đó là phản ứng dung dịch đất (phản ứng chua và phản ứng kiềm), tính đệm và tính oxy hoá - khử.
3.4.2.1. Phản ứng của dung dịch đất
Phản ứng dung dịch đất là biểu thị tính chua, kiềm hay trung tính của dung dịch đất.
Nó có liên quan trực tiếp đến các quá trình lý, hoá, sinh trong đất. Mức độ chua của đất phụ thuộc vào nồng độ của cation H+,Al3+ trong đất. Ngược lại, mức độ kiềm của đất phụ thuộc vào hàm lượng các cation kiềm như Ca2+, Na+.. trong đất.
• Phản ứng chua Nguyên nhân làm đất chua;
Đất chua là sản phẩm của các yếu tố và quá trình hình thành đất. Đó là sự tích luỹ các cation H+ và Al3+ và sự rửa trôi các cation kiềm, kiềm thô như Ca+, Mg2+, K+...
trong quá trình hình thành, phát triển và sử dựng đất.
Đất chua có thể do những nguyên nhân sau:
+ Do cây hút chất dinh dưỡng từ đất: Hàng năm cây hút một lượng chất dinh dưỡng nhất định từ đất. Trong đó chủ yếu là các cation kiềm, kiềm thổ như K+, NH4+, Ca2+, Mg2+ đồng thời thải vào đất một lượng H+ tương ứng gây chua đất. Đay là nguyên nhân không quan trọng vì cây sẽ hoàn trả lại những chất mà nó hút từ đất qua tiểu tuần hoàn sinh vật Tuy nhiên, với đất canh tác một lượng lớn cation kiềm và kiềm thổ bị mất khỏi đất trong sản phẩm thu hoạch làm đất chua nhanh hơn so với các loại đất dưới rừng tự nhiên. Bón phân và vôi vừa làm tăng năng suất cây trồng, vừa đảm-
bảo duy trì dinh dưỡng và độ chua bảo vệ độ phì nhiêu của đất.
+ Do bón các loại phân chua và phân sinh lý chua: Đất có thể bị chua nếu ta bón các loại phân như supe lân vì trong thành phần loại phân này có chứa một lượng axit nhất định (phân chua). Các loại phân sinh lý chua như K2SO4, KCl, NH4Cl, (NH4)2SO4...
Trong thành phần của phân có chứa các gốc axit khi bón vào đất chúng phân ly trong dung dịch. cation kiềm được cây hút hay keo đất hấp thu. Gốc axit còn lại sẽ gây chua cho đất.
+ Do xói mòn rửa trôi: đây là nguyên nhân quan trọng nhất gây chua cho đất đặc biệt là các loại đất đồi núi vùng nhiệt đới. Đó là sự xói mòn và rửa trôi cation kiềm linh động như Ca2+, Mg2+, K+... và tích tụ H+ và Al3+ trong đất. Các loại đất chua mạnh pH = 4 - 5 phổ biến ở các loại đất nhiệt đới kể cả các loại đất được hình thành trên đá mẹ giàu cation kiềm như đất đỏ vàng trên đá vôi, macma bazơ là những ví dụ điển hình.
+ Do sự phân giải xác hữu cơ trong điều kiện yếm khí: đây là nguyên nhân cơ bản gây chua ở các loại đất thường xuyên ngập nước như đất lầy thụt, đất chiêm trũng ở nước ta. Quá trình phân giải xác hữu cơ trong điều kiện yếm khí tạo ra các sản phẩm trung gian như axit hữu cơ, H2S... tích luỹ một lượng H+ đáng kể gây chua cho đất.
Ngoài 4 nguyên nhân trên, ở những vùng đất mặn sú vẹt phát triển mạnh, thân lá có hàm lượng lưu huỳnh cao khi chúng được phân giải trong điều kiện yếm khí tạo ra H2S Sau đó được Oxy hoá tạo ra H2SO4 gây Chua.
Các loại độ chua:
Đất chua là đất có chứa một lượng H+ và Al3+, chúng có thể tồn tại ở ngoài dung dịch hay trên bề mặt keo đất. Khi tồn tại ở ngoài dung dịch, chúng có ảnh hưởng trực tiếp tới cây và vi sinh vật. Chính vì vậy, độ chua được quyết định bởi H+ và Al3+ trong dung dịch đất được gọi là độ chua hoạt tính. Trái lại, độ chua tiềm tàng được xác định bởi lượng H+ và Al3+ trên bề mặt keo đất, chúng chỉ ảnh hưởng tới cây trồng và vi sinh vật khi chúng được đẩy ra ngoài dung dịch đất.
- Độ chua hoạt tính
Độ chua hoạt tính không phụ thuộc vào tổng lượng axit hay kiềm trong dung dịch đất mà nó phụ thuộc vào ư lệ giữa nồng độ H+ và nồng độ OH- trong dung dịch được biểu thi bằng trị số pH (H2O) và được tính theo công thức:
pH = - log [ H+]
Như ta.đã biết trong nước tinh khiết hay bất cứ một dung dịch nào tích số của luôn bằng một hằng số và bằng 10-14 ion gam/1ít
Trong môi trường trung tính thì: [ H+] = [ OH-] = 10-7 và khi đó pH = 7 Trong
môi trường chua: [ H+] > [ OH-] và [H+] > 10-7 và khi đó pH < 7 Ngược lại, trong môi trường kiềm thì pH > 7.
Tuy nhiên pH đất thường dao động từ 3 - 9 do đất có tính đệm. Dựa vào pH của nước ta có thể chia đất theo các cấp độ chua như bảng 3.7.
Bảng 3. 7. Phân chia đất theo các cấp độ chua
pH (H20) cấp đánh giá
<4,5 Đất chua nhiều
4,5 - 5,5 Đất chua vừa
5,6-6,5 Đất chua ít
6,6-7,5 Đất trung tính
7,6-8,0 Đất kiềm yếu
8,1 -8,5 Đất kiềm vừa
8,6-10,0 Đất kiềm mạnh
Ở nước ta do đa số các loại đất vùng đồi núi được hình thành có quá trình tích luỹ Fe, Al tương đối - rửa trôi các cation kiềm Ca2+, Mg2+, Na+ và tích luỹ Fe, Al trong quá trình hình thành đất nên đất đều chua. Ngoài ra các loại đất như đất bạc màu, đất chiêm trũng lầy thụt cũng có phản ứng chưa.
Bảng 3. 8: Độ chua hoạt tính của một số loại đất Việt Nam
Loại đất (tầng 0-15 cm) pH (H20)
Đất phèn (An Hải - Hải Phòng) 4,2
Đất nâu đỏ trên đá vôi (Đồng Giao - Ninh Bình) 4,6 Đất nâu đỏ trên đá bazan (Phủ Qùy - Nghệ An) 4,5
Đất đỏ vàng trên phiến thạch mica (Phú Hộ - Phú Thọ) 4,5 Đất nâu vàng trên phù sa cổ (Vĩnh Phúc) 5,0
Đất mặn (Rang Đông - Nam Định) 8,0 Đất phù sa ngoài đê sông Hồng (Phúc Xá - Hà Nội) 7,7
- Độ chua tiềm tàng . .
Trong đất ngoài H+ và Al3+ trong dung dịch đất, còn một lượng đáng kể H+ và Al3+ tồn tại trên bề mặt keo đất. Độ chua tiềm tàng là lượng H trong đất và được xác định khi ta tác động một dung dịch muối vào đất để đẩy H+ và Al3+ trên bề mặt keo đất vào dung dịch đất. Do H+ và Al3+ được giữ trên bề mặt keo với những lực khác nhau 'do vậy khi tác động vào đất những muối khác nhau ta sẽ xác định được độ chua tiềm tàng với giá trị khác nhau. Dựa theo loại muối tác động vào đất, độ chua tiềm tàng được phân ra làm 2 loại độ chua: độ chua trao đổi và độ chua thuỷ phân.
+ Độ chua trao đổi (lđl/100g đất):
Độ chua trao đổi được xác định khi ta dùng một muối trung tính, muối của axit mạnh (như NaCl, BaCl2...) để đẩy H+ và Al3+ trên bề mặt keo vào dung dịch đất. Quá trình trao đổi xảy ra như sơ đồ sau:
Do cơ chế để xác định độ chua trao đổi xảy ra giống như quá trình bón các loại phân sinh lý chua vào đất, do vậy độ chua trao đổi được sử dụng để xác định chế độ phân bón hợp lý. Nếu độ chua trao đổi lơn, đó là dấu hiệu của sự thay đổi đột ngột pH khi ta bón phân khoáng như K2SO4, KCl, NH4Cl... Để hạn chế tác động tiêu cực của bón phân khoáng ở những loại đất có độ chua trao đổi cao, cần bón phân làm nhiều lần để tránh sự thay đổi đột ngột của độ chua hoặc bón vôi trước khi bón phân khoang để trung hoà bớt độ chua sinh ra do bón phân khoáng.
+ Độ chua thuỷ phân:
Khác với việc xác định độ chua trao đổi, khi xác định độ chua thuỷ phân ta dùng một muối thuỷ phân: muối của bazơ mạnh và axit yếu (thường dùng là muối CH3COONa), để tác động vào đất đẩy ion H+ và Al3+ trên bề mặt keo đất ra ngoài dung dịch. Quá trình trao đổi xảy ra như sau:
Do trong dung dịch muối thuỷ phân thường có sự phân ly:
Sau đó do CH3COOH là axit yếu ít phân ly còn NaOH là bazơ mạnh phân ly hoàn toàn nên con Na+ trong muối thuỷ phân có sức đẩy lớn hơn nhiều so với cation trong muối trao đổi. Chính vì vậy độ chua thuỷ phân thường được dùng để phản ánh toàn bộ lượng H+ và Al3+ trong cả dung dịch đất và keo đất (tiềm năng gây chua cho đất) và đây là cơ sờ tính toán lượng vôi bón cải tạo đất chua.
Thường độ chua thuỷ phân lớn hơn độ chun trao đổi. Tuy nhiên ở một số loại đất khi xác định độ chua thuỷ phân có một số phản ứng phụ xảy ra nên chưa phản ánh được thực chất độ chua thuỷ phân của đất.
Các phản ứng phụ như:
Rõ ràng là phản ứng trên không làm tăng lượng H+ trong dung dịch mà làm tăng một lượng kiềm đáng kể làm trị số độ chua thuỷ phân giảm.
Tính kiềm của đất
Phản ứng kiềm được hình thành do sự tích luỹ các ion OH- trong đất. Sự tích luỹ các ion OH- có thể do các nguyên nhân sau:
- Do đất chứa nhiều CaCO3
- Do sự trao đổi giữ keo đất và dung dịch đất đặc biệt là ở đất mặn.
- Do đất chứa Na2CO3:
- Do việc bón phân khoáng hay tro bếp (hoặc do đốt nương rẫy).
Do trong bếp có chứa một lượng cation kiềm nhất định khi bón vào đất gặp nước sẽ xảy ra phản ứng sau:
Tuy nhiên đất kiềm gây nên chủ yếu do sự tích luỹ Na2CO3 trong đất. Sự tích luỹ Na2CO3 Có thể ao các nguyên nhân sau đây:
Quá trình hoá học.
Do sự trao đổi nên ion Na+ bị đẩy khỏi phức hệ hấp phụ:
- Do tác động của vi sinh vật trong điều kiện yếm khí:
sự tích luỹ Na2CO3 trong đất có ảnh hưởng xấu tới sự sinh trưởng của cây và tính chất đất.
Khi nồng độ Na2CO3 > 0,01% Có thể gây độc Cho nhiều loại cây trồng. Na2CO3
đặc biệt có ảnh hưởng xấu tới lý tính đất. Đất chứa nhiều Na2CO3 thường không có kết cấu bí chặt, mùn ở dạng hoà tan nên dễ bị mất qua xói mòn rửa trôi, chế độ nước và không khí đất không được điều hoà.
3.4.2.2. Tỉnh đệm của đất
Tính đệm là chỉ khả năng của đất có thể giữ cho pH ít bị thay đổi khi có thêm một lượng ion H+ hay OH- tác động vào đất. Nói rộng hơn thì tính đệm của đất là khả năng đất chống lại sự thay đổi nồng độ các chất tan trong dung dịch đất khi nồng độ các chất tan tăng lên hay giảm đi do tác động nào đó.
Như vậy tính đệm có vai trò rất quan trọng với cây trồng và vi sinh vật đất. Nhờ có tính đệm mà pH và nồng độ các chất tan trong dung dịch đất không đột ngột thay đổi với trị số lớn, ảnh hưởng xấu tới cây trồng vi sinh vật (thực tế pH đất nhờ có tính đệm chỉ biến thiên từ 3 đến 10). Để ổn định nồng độ các chất tan trong dung dịch thì một loạt các quá trình sẽ xảy ra theo chiều hướng làm giảm hay tăng nồng độ một chất nào đó khi chất đó được bổ sung hay mất đi trong quá trình hình thành, phát triển và sử dụng đất Các quá trình đó có thể là quá trình trao đổi giữa keo đất và dung dịch đất, quá trình hoà tan hay kết tủa, các phản ứng hoá học trong đất...
Nguyên nhân đất có tính đệm.
- Do tác động trao đổi giữa keo đất và dung dịch đất. Đây là phản ứng thuận nghịch xảy ra một cách thường xuyên và liên tục, đảm bảo duy trì nồng độ các chất tan trong đất. Ví dụ: Khi có một lượng H+ sinh ra trong đất:
Rõ ràng khi có H+, Na+, K+ được bổ sung vào đất thì phản ứng thuận xảy ra, cation này bị giữ trên bề mặt keo, nồng độ của chúng trong dung dịch ít thay đổi so với trị số ban đầu.
Ngược lại nếu nồng độ các cation này giảm xuống trong dung dịch đất có thể do rửa trôi, xói mòn hay cây hút chất dinh dưỡng thì phản ứng theo chiều hướng ngược
lại sẽ xảy ra và các cation trên bề mặt keo đất sẽ được giải phóng vào dung dịch để duy trì nồng độ ban đầu.
Do tác dụng đệm của các axit hữu cơ, axit amin, axit mùn.
- Ví dụ: Khi có thêm một lượng axit:
Đây cũng là phản ứng thuận nghịch, có thể đệm cả với axit và kiềm, cả khi nồng độ của chúng tăng lên hay giảm đi.
Do tác dụng đệm của nhôm di động.
Theo R.H.Scofin thì khi pH < 4 nhôm di động được bao bọc bởi 6 phân tử nước.
Khi có một lượng OH- được thêm vào trong đất thì các phân tử nước trên bề mặt của nhôm sẽ phân ly giải phòng ra H+ để trung hoà OH- trong dung dịch. Phản ứng xảy ra theo sơ đồ sau:
Nhôm di động [Al(H2O)6]3 Chỉ Có thể đệm với OH- trong môi trưởng chua. Bởi trong môi trường kiềm, nhôm sẽ bị kết tủa dưới dạng Al (OH)3.
Do đất chứa các chất có khả năng trung hoà.
Ví dụ: Đất giàu CaCO3 khi có một lượng axit chúng sẽ trung hoà như sau:
Qua 4 quá trình trên ta thấy nếu đất giàu sét, giàu mùn, có khả năng trao đổi và hấp thụ lớn thì tính đệm tốt. Tính đệm phụ thuộc vào các chất trung hoà trong đất và các cation trên bề mặt keo. Nếu trên bề mặt keo đất chủ yếu là các cation kiềm, kiềm thổ thì đất đệm tốt với axit. Ngược lại nếu trên bề mặt keo chứa chủ yếu các cation H+ và Al3+ thì đệm tốt với kiềm.
Nghiên cứu về tính đệm của các loại đất giúp các nhà nông học tính toán lượng phân khoáng bón phù hợp cho các loại đất. Với đất có tính đệm tốt như đất sét, đất giàu mùn thì có thể bón một lượng phân lớn, bón tập trung hơn so với đất có tính đệm kém như đất cát, đất bạc màu. Cũng tương tự như vậy, tính toán lượng vôi bón cải tạc đất chua cần căn cứ vào độ chua của đất. Thông thường để cải tạo đất có cùng để chua, đất có tính đệm tốt phải bón vôi với lượng nhiều gấp 1,2 - 1,5 lần so với đất có tính đệm kém.
Biện phán kỹ thuật để làm tăng tính đệm cho đất chủ yếu là làm tăng về số lượng và chất lượng keo đất, lượng chất hữu cơ cho đất và thành phần cation trên bề mặt keo.
Bón phân hữu cơ và vôi, cày sâu lật sét hay tưới bằng nước phù sa hạt mịn là những biện pháp thiết thực vừa tăng được số lượng keo đất, vừa thay đổi được thành phần cation trên bề mặt keo.
3.4.2.3. Tính oxy hoá - khử
Khái niệm về phán ứng oxy hoá khử;
Phản ứng oxy hoá - khử là phản ứng phổ biến xảy ra trong đất. Tuỳ theo trạng thái của đất mà phản ứng có thể xảy ra theo chiều hướng oxy hoá hay khử. Chiều hướng của phản ứng oxy hoá - khử có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng. Nó có liên quan chặt chẽ tới dạng tồn tại cửa các chất dinh dưỡng trong đất. Do vậy nó ảnh hưởng rất lớn đến chế độ dinh dưỡng của cây.
Bảng 3.9. ảnh hưởng của trạng thái oxy hoá khử đến dạng sản phẩm của quá trình phân giải xác hữu cơ
Thành phần chất hữu cơ Sản phẩm trong môi trường
õy hóa Sản phẩm trong môi trường
khử
C C02 CH4, CO
N N02-, N03- NH3, N2
S S042- H2S
P P043+ PH3
Fe Fe3+ Fe2+
Mn Mn3+, Mn4+ Mn2+
Quá trình oxy hoá là quá trình kết hợp với oxy, mất hydro hay mất điện tử.
Ngược lại quá trình khử là quá trình nhận điện tử, nhận hydro, hay mất oxy.
Chất oxy hoá là chất nhận điện tử để có hoá trị dương nhỏ hơn hay hoá trị âm lớn hơn.
Chất khử là chất cho điện tử để có hoá trị dương lớn hay hoá trị âm nhỏ hơn.
Chất oxy hoá ký hiệu: OX
Chất khử ký hiệu: Red
Hệ thống oxy hoá - khử ký hiệu Redox.
Ví dụ có hệ thống oxy hoá - khử:
Phản ưng từ Fe2+ → Fe3+ là phản ứng nhường điện tử - là quá trình oxy hoá và ngược lại từ Fe3+ → Fe2+ là quá trình khử.
Fe2+ nhường điện từ là chất khử còn Fe3+ nhận điện tử nên là chất oxy hoá.
Để đánh giá tình trạng oxy hoá - khử trong đất, người ta dùng đại lượng gọi là cường độ oxy hoá - khử, ký hiệu Eh đơn vị là mili vôn (mV).
Eh được tính theo công thức.
Trong đó [OX] là nồng độ chất oxy hoá.
[Red] là nồng độ chất khử.
Chúng được tính bới nồng độ đương lượng hay ion gam/1ít.
Eo là điện thế oxy hoá - khử tiêu chuẩn, đó là điện thế oxy hoá - khử được đo khi nồng độ chất oxy hoá bằng nồng độ chất khử và bằng 1N.
Điện thế oxy hoá - khử tiêu chuẩn của một số hệ thống như sau:
Yếu tố ảnh hưởng đến điện thế oxy hoá - khử:
Hệ thống oxy hoá - khử của đất chịu ảnh hưởng bởi sự tồn tại của các hệ thống oxy hoá - khử trong đất như Cu2+ -- Cu+, PO43- -- H3P, Mn4+ -- Mn2+ ...
Nếu tồn tại nhiều hệ thống oxy hoá - khử thì điện thế oxy hoá - khử của đất tường đương với điện thế của hệ thống oxy hoá - khử nào có giá trị cao nhất.
pH có ảnh hưởng lởn tới Eh của đất bởi trong đất có hệ thống oxy hoá - khử là:
Như vậy phân ứng này vừa có liên quan đến pH vừa có liên quan đen Eh. Trung bình khi thay đổi 1 đơn vị pH thì Eh thay đổi tù 57 - 59mV. Bởi vậy để so sánh mức độ khác nhau, Clarke đề nghi dùng công thức tỉnh rH2 theo công thức sau.
Điện thế oxy hoá - khử chịu ảnh hương trực tiếp của oxy và các chất chứa oxy trong đất Chúng có thể có nguồn gốc như oxy trong không khí đất, oxy hoà tan trong dung dịch đất, các chất có chứa hàm lượng oxy cao như K2SO4, NH4NO3.
Điện thế oxy hoá - khử còn chịu ảnh hưởng của các biện pháp kỹ thuật áp dụng như: Điều tiết độ ẩm để làm tăng hay giảm lượng không khí đất.
- Bón phân để bổ sung các chất oxy hoá hay khử như K2SO4, (NH4)2SO4... Bón phân hữu cơ cho đất ngập nước đặc biệt là phân chưa hoạt mục làm giảm điện thế oxy hoá - khử.
- Bón vôi cải tạo chua cho đất.